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KR102542998B1 - Three Dimensional Stacked Semiconductor Memory Device - Google Patents

Three Dimensional Stacked Semiconductor Memory Device Download PDF

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KR102542998B1
KR102542998B1 KR1020180073179A KR20180073179A KR102542998B1 KR 102542998 B1 KR102542998 B1 KR 102542998B1 KR 1020180073179 A KR1020180073179 A KR 1020180073179A KR 20180073179 A KR20180073179 A KR 20180073179A KR 102542998 B1 KR102542998 B1 KR 102542998B1
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Abstract

가변 저항층들을 가진 반도체 메모리 소자 및 뉴로모픽 소자가 설명된다. 상기 반도체 메모리 소자 또는 상기 뉴로모픽 소자는 제1 수평 방향으로 평행하게 연장하는 로우 라인들; 상기 제1 수평 방향과 직교하는 제2 수평 방향으로 평행하게 연장하는 컬럼 라인 스택들, 상기 컬럼 라인 스택들은 수직 방향으로 평행하게 연장하는 다수 개의 컬럼 라인들을 포함하고; 및 상기 컬럼 라인 스택들의 상기 컬럼 라인들을 수직으로 관통하는 셀 필라들을 포함할 수 있다. 상기 셀 필라들의 제1 단부들은 상기 로우 라인들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 셀 필라들의 제2 단부들은 플로팅될 수 있다.A semiconductor memory device and a neuromorphic device having variable resistance layers are described. The semiconductor memory device or the neuromorphic device may include row lines extending in parallel in a first horizontal direction; column line stacks extending in parallel in a second horizontal direction orthogonal to the first horizontal direction, the column line stacks including a plurality of column lines extending in parallel in a vertical direction; and cell pillars vertically penetrating the column lines of the column line stacks. First ends of the cell pillars may be electrically connected to the row lines. Second ends of the cell pillars may be floating.

Description

3차원 적층형 반도체 메모리 소자{Three Dimensional Stacked Semiconductor Memory Device}Three Dimensional Stacked Semiconductor Memory Device

본 발명은 반도체 메모리 소자에 관한 것으로서, 특히 3차원 적층형 반도체 메모리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a three-dimensional stacked semiconductor memory device.

차세대 반도체 메모리 기술로 3차원 적층형 반도체 메모리 기술 및 크로스-포인트형 가변 저항성 메모리 기술이 주목받고 있다. 또한, 인공 지능 기술 등에 이용될 수 있도록 인간의 뇌를 모방한 뉴로모픽 기술도 주목 받고 있다. 상기 뉴로모픽 기술에 의한 뉴로모픽 소자는 다수의 프리-시냅스 뉴런들, 다수의 포스트-시냅스 뉴런들, 및 다수의 시냅스들을 포함한다. 상기 뉴로모픽 소자는 학습된 상태에 따라 다양한 저항 레벨들을 가질 수 있고, 상기 저항 레벨들에 따라 다양한 전압 또는 전류를 출력할 수 있다. As next-generation semiconductor memory technology, three-dimensional stacked semiconductor memory technology and cross-point type variable resistive memory technology are attracting attention. In addition, neuromorphic technology that mimics the human brain is also attracting attention so that it can be used in artificial intelligence technology and the like. A neuromorphic device according to the neuromorphic technology includes a plurality of pre-synaptic neurons, a plurality of post-synaptic neurons, and a plurality of synapses. The neuromorphic device may have various resistance levels according to learned states, and may output various voltages or currents according to the resistance levels.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다층의 가변 저항층들을 가짐으로써 멀티 저항 레벨을 구현할 수 있는 반도체 메모리 소자 및 뉴로모픽 소자를 제공하는 것이다. An object to be solved by the present invention is to provide a semiconductor memory device and a neuromorphic device capable of implementing multiple resistance levels by having multiple variable resistance layers.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 크로스-포인트형 반도체 메모리 소자 및 뉴로모픽 소자를 제공하는 것이다.An object to be solved by the present invention is to provide a cross-point type semiconductor memory device and a neuromorphic device.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 3차원 적층된 반도체 메모리 소자 및 뉴로모픽 소자를 제공하는 것이다.An object to be solved by the present invention is to provide a three-dimensionally stacked semiconductor memory device and a neuromorphic device.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다층의 가변 저항층들을 가진 크로스-포인트형 3차원 적층된 반도체 메모리 소자 및 뉴로모픽 소자를 제공하는 것이다.An object to be solved by the present invention is to provide a cross-point type three-dimensionally stacked semiconductor memory device and a neuromorphic device having multiple variable resistance layers.

본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Various problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자 또는 뉴로모픽 소자는 제1 수평 방향으로 평행하게 연장하는 로우 라인들; 상기 제1 수평 방향과 직교하는 제2 수평 방향으로 평행하게 연장하는 컬럼 라인 스택들, 상기 컬럼 라인 스택들은 수직 방향으로 평행하게 연장하는 다수 개의 컬럼 라인들을 포함하고; 및 상기 컬럼 라인 스택들의 상기 컬럼 라인들을 수직으로 관통하는 셀 필라들을 포함할 수 있다. 상기 셀 필라들의 제1 단부들은 상기 로우 라인들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 셀 필라들의 제2 단부들은 플로팅될 수 있다. A semiconductor memory device or neuromorphic device according to an embodiment of the present invention includes row lines extending in parallel in a first horizontal direction; column line stacks extending in parallel in a second horizontal direction orthogonal to the first horizontal direction, the column line stacks including a plurality of column lines extending in parallel in a vertical direction; and cell pillars vertically penetrating the column lines of the column line stacks. First ends of the cell pillars may be electrically connected to the row lines. Second ends of the cell pillars may be floating.

상기 셀 필라들의 상기 제2 단부들은 상기 컬럼 라인 스택들의 상기 최하부의 컬럼 라인들로부터 돌출할 수 있다.The second ends of the cell pillars may protrude from the lowermost column lines of the column line stacks.

상기 셀 필라들은 각각, 중앙의 코어; 및 상기 코어를 감싸는 메모리 층을 포함할 수 있다.Each of the cell pillars includes a central core; and a memory layer surrounding the core.

상기 코어는 금속, 금속 화합물, 금속 실리사이드, 또는 그 조합들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The core may include one or more of a metal, a metal compound, a metal silicide, or combinations thereof.

상기 코어는 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al) 같은 금속; 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다.The core may include a metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), copper (Cu), or aluminum (Al); metal compounds such as tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), and ruthenium oxide (RuO 2 ); metal silicides such as tungsten silicide (WSi), titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi); or doped silicon.

상기 로우 라인들 및 상기 코어는 직접적으로 연결될 수 있다.The row lines and the core may be directly connected.

상기 메모리 층은 적어도 3층의 가변 저항층들을 포함할 수 있다. 상기 3층의 가변 저항층들은 밴드 갭들, 화학적 포텐셜들, 이온 모빌리티들, 필라멘트 생성 문턱 전압들, 상 변화 문턱 전압들, 또는 원자 이동 문턱 전압들 중 하나 이상이 서로 다를 수 있다.The memory layer may include at least three variable resistance layers. The three-layer variable resistance layers may have different band gaps, chemical potentials, ion mobilities, filament generation threshold voltages, phase change threshold voltages, or atomic migration threshold voltages.

상기 적어도 3층의 가변 저항층들은 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 란타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 실리콘 산화물, 또는 티타늄 산화물 등의 산소 베이컨시를 포함하는 다양한 금속 산화물들 또는 고유전율 산화물들 중 하나를 각각 포함할 수 있다.The at least three variable resistance layers may each include one of various metal oxides including oxygen vacancy or high dielectric constant oxides such as hafnium oxide, aluminum oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, silicon oxide, or titanium oxide. can

상기 컬럼 라인들은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 또는 이리듐(Ir) 같은 금속; 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 기타 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다.The column lines may be made of a metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), or iridium (Ir); other metal compounds such as tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), ruthenium oxide (RuO 2 ); metal silicides such as tungsten silicide (WSi), titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi); or doped silicon.

상기 로우 라인들은 상기 기판 내에 매립될 수 있다.The row lines may be buried in the substrate.

본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자 또는 뉴로모픽 소자는 제1 수평 방향으로 연장하는 워드 라인; 상기 제1 수평 방향과 직교하는 제2 수평 방향으로 연장하는 비트 라인 스택; 및 상기 비트 라인 스택을 수직으로 관통하도록 상기 워드 라인으로부터 연장하는 셀 필라를 포함할 수 있다. 상기 셀 필라의 제1 단부는 상기 워드 라인과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 셀 필라의 제2 단부는 플로팅될 수 있다.A semiconductor memory device or neuromorphic device according to an embodiment of the present invention includes a word line extending in a first horizontal direction; a bit line stack extending in a second horizontal direction orthogonal to the first horizontal direction; and a cell pillar extending from the word line to vertically pass through the bit line stack. A first end of the cell pillar may be electrically connected to the word line. The second end of the cell pillar may be floating.

상기 비트 라인 스택은 수직 방향으로 적층되고 상기 제2 수평 방향으로 평행하게 연장하는 다수의 비트 라인들을 포함할 수 있다.The bit line stack may include a plurality of bit lines stacked in a vertical direction and extending in parallel to the second horizontal direction.

상기 비트 라인들은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 또는 이리듐(Ir) 같은 금속; 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 기타 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다.The bit lines may be made of a metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), or iridium (Ir); other metal compounds such as tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), ruthenium oxide (RuO 2 ); metal silicides such as tungsten silicide (WSi), titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi); or doped silicon.

상기 제2 단부들은 상기 컬럼 라인 스택들의 최하단으로부터 돌출할 수 있다.The second ends may protrude from lowermost ends of the column line stacks.

상기 셀 필라는 중앙의 코어 및 상기 코어를 감싸는 메모리 층들을 포함할 수 있다.The cell pillar may include a central core and memory layers surrounding the core.

상기 메모리 층들은 적어도 3층의 가변 저항층들을 포함하고, 상기 3층의 가변 저항층들은 밴드 갭들, 화학적 포텐셜들, 이온 모빌리티들, 필라멘트 생성 문턱 전압들, 상 변화 문턱 전압들, 또는 원자 이동 문턱 전압들 중 하나 이상이 서로 다를 수 있다.The memory layers include at least three layers of variable resistance layers, and the three layers of variable resistance layers include band gaps, chemical potentials, ion mobilities, filament generation threshold voltages, phase change threshold voltages, or atomic movement thresholds. One or more of the voltages may be different.

상기 적어도 3층의 가변 저항층들은 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 란타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 실리콘 산화물, 또는 티타늄 산화물 등의 산소 베이컨시를 포함하는 다양한 금속 산화물들 또는 고유전율 산화물들 중 하나를 각각 포함할 수 있다.The at least three variable resistance layers may each include one of various metal oxides including oxygen vacancy or high dielectric constant oxides such as hafnium oxide, aluminum oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, silicon oxide, or titanium oxide. can

상기 워드 라인은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al) 같은 금속; 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다.The word line may include a metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), copper (Cu), or aluminum (Al); metal compounds such as tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), and ruthenium oxide (RuO 2 ); metal silicides such as tungsten silicide (WSi), titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi); or doped silicon.

본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 절연층; 상기 하부 절연층 상에 교대로 적층된 비트 라인들 및 층간 절연층들, 상기 비트 라인 들은 제1 수평 방향으로 평행하게 연장하고; 상기 비트 라인들 상의 상부 절연층; 상기 상부 절연층 상에 상기 제1 수평 방향과 수직하는 제2 수평 방향으로 연장하는 워드 라인; 및 상기 워드 라인으로부터 상기 상부 절연층, 상기 층간 절연층들, 및 상기 비트 라인들을 수직으로 관통하는 수직 필라를 포함할 수 있다. 상기 수직 필라는 전도성 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 적어도 3층의 가변 저항층들을 포함할 수 있다. 상기 수직 필라의 상단은 상기 워드 라인과 직접적으로 연결될 수 있다. 상기 수직 필라의 하단은 상기 기판과 접촉하지 않도록 상기 하부 절연층 내부로 돌출할 수 있다.A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention includes a substrate; a lower insulating layer formed on the substrate; bit lines and interlayer insulating layers alternately stacked on the lower insulating layer, the bit lines extending in parallel in a first horizontal direction; an upper insulating layer on the bit lines; a word line extending in a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction on the upper insulating layer; and a vertical pillar vertically penetrating the upper insulating layer, the interlayer insulating layers, and the bit lines from the word line. The vertical pillar may include a conductive core and at least three variable resistance layers surrounding the core. An upper end of the vertical pillar may be directly connected to the word line. A lower end of the vertical pillar may protrude into the lower insulating layer so as not to contact the substrate.

상기 적어도 3층의 가변 저항층들은 밴드 갭들, 화학적 포텐셜들, 이온 모빌리티들, 필라멘트 생성 문턱 전압들, 자화 문턱 전압들, 위상 변화 문턱 전압들, 또는 원자 이동 문턱 전압들 중 하나 이상이 서로 다르도록, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 란타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 실리콘 산화물, 또는 티타늄 산화물 등의 산소 베이컨시를 포함하는 다양한 금속 산화물들 또는 고유전율 산화물들 중 하나를 각각 포함할 수 있다.The at least three variable resistance layers are different from each other at least one of band gaps, chemical potentials, ion mobilities, filament generation threshold voltages, magnetization threshold voltages, phase change threshold voltages, or atomic movement threshold voltages. , hafnium oxide, aluminum oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, silicon oxide, or titanium oxide.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. Details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 메모리 소자 및 뉴로모픽 소자는 높은 집적도를 가질 수 있다. A semiconductor memory device and a neuromorphic device according to the technical concept of the present invention may have a high degree of integration.

본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 메모리 소자 및 뉴로모픽 소자는 빠른 동작 속도 및 낮은 전력 소모를 가질 수 있다.A semiconductor memory device and a neuromorphic device according to the technical concept of the present invention may have high operating speed and low power consumption.

기타 언급되지 않은 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 효과들은 본문 내에서 언급될 것이다.Other effects by various embodiments of the present invention that are not mentioned will be mentioned within the text.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이를 개념적으로 도시한 블록 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 반도체 메모리 소자의 셀 어레이를 개략적으로 보이는 3차원적 사시도이다.
도 3a는 도 2의 I-I' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이고 및 도 3b는 도 2의 II-II' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이다.
도 4a는 도 3의 'A'영역을 확대한 도면이고, 및 도 4b는 III-III' 선을 따라 취해진 횡단면도이다.
도 5a 및 5b는 상기 반도체 메모리 소자의 프로그래밍 동작 원리를 설명하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 반도체 메모리 소자의 셀 어레이를 개략적으로 보이는 3차원적 사시도이다.
도 7a는 도 6의 IV-IV' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이고 및 도 7b는 도 6의 V-V' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이다.
도 8a는 도 6의 IV-IV' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이고 및 도 8b는 도 6의 V-V' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이를 개념적으로 도시한 블록 다이아그램이다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 실시예들에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이들을 개략적으로 보이는 3차원적 사시도들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 개념적인 종단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템을 개념적으로 도시한 다이아그램이다.
1 is a block diagram conceptually illustrating a cell array of a semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a three-dimensional perspective view schematically showing a cell array of the semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a schematic longitudinal sectional view of the semiconductor memory device taken along line II' of FIG. 2 and FIG. 3B is a schematic longitudinal sectional view of the semiconductor memory device taken along line II-II' of FIG. 2 .
FIG. 4A is an enlarged view of area 'A' of FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line III-III'.
5A and 5B are diagrams explaining a programming operation principle of the semiconductor memory device.
6 is a three-dimensional perspective view schematically showing a cell array of the semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 7A is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line IV-IV' of FIG. 6, and FIG. 7B is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line VV' of FIG.
FIG. 8A is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line IV-IV' of FIG. 6, and FIG. 8B is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line VV' of FIG.
9 is a block diagram conceptually illustrating a cell array of a semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
10A and 10B are three-dimensional perspective views schematically showing cell arrays of semiconductor memory devices according to example embodiments.
11 is a conceptual longitudinal cross-sectional view of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram conceptually illustrating a pattern recognition system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become clear with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms, but only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the common knowledge in the art to which the present invention belongs It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

명세서 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.Like reference numbers designate like elements throughout the specification. Accordingly, the same reference numerals or similar reference numerals may be described with reference to other drawings, even if not mentioned or described in the drawings. Also, even if reference numerals are not indicated, description may be made with reference to other drawings.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(100)를 개념적으로 도시한 블록 다이아그램이다. 1 is a block diagram conceptually illustrating a cell array 100 of a semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the inventive concept.

도 1을 참조하면, 상기 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(100A)는 로우 드라이버(RD), 컬럼 드라이버(CD), 상기 로우 드라이버(RD)로부터 로우 방향으로 평행하게 연장하는 다수의 로우 라인들(R1-Rn), 상기 컬럼 드라이버(CD)로부터 컬럼 방향으로 평행하게 연장하는 다수의 컬럼 라인들(C1-Cm), 및 상기 로우 라인들(R1-Rn)과 상기 컬럼 라인들(C1-Cm) 사이의 교차 영역들에 배치된 다수의 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 로우 라인들(R1-Rn)은 워드 라인들에 해당할 수 있고, 및 상기 다수의 컬럼 라인들(C1-Cm)은 비트 라인들에 해당할 수 있다. 상기 다수의 메모리 셀들(MC)은 가변 저항층들을 포함할 수 있다. 상기 다수의 메모리 셀들(MC)의 제1 전극들은 상기 다수의 로우 라인들(R1-Rn)과 각각 전기적으로 연결될 수 있고, 및 상기 다수의 메모리 셀들(MC)의 제2 전극들은 상기 다수의 컬럼 라인들(C1-Cm)과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the cell array 100A of the semiconductor memory device includes a row driver RD, a column driver CD, and a plurality of row lines R1 extending in parallel in a row direction from the row driver RD. -Rn), a plurality of column lines (C1-Cm) extending in parallel in a column direction from the column driver (CD), and between the row lines (R1-Rn) and the column lines (C1-Cm). It may include a plurality of memory cells MC disposed in crossing areas of . The plurality of row lines R1 to Rn may correspond to word lines, and the plurality of column lines C1 to Cm may correspond to bit lines. The plurality of memory cells MC may include variable resistance layers. First electrodes of the plurality of memory cells MC may be electrically connected to the plurality of row lines R1-Rn, respectively, and second electrodes of the plurality of memory cells MC may be electrically connected to the plurality of column lines. It may be electrically connected to the lines C1-Cm, respectively.

상기 셀 어레이(100)는 크로스-포인트형 연결 구조를 가질 수 있다. 상기 반도체 메모리 소자는 저항성 램(Resistive Random Access Memory, ReRAM), 상 변화 램(Phase Changeable Random Access Memory, PCRAM), 또는 전도성 브리지 램(Conductive Bridge Random Access Memory, CBRAM) 같은 가변 저항성 메모리 소자일 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에서, 상기 로우 라인들(R1-Rn)은 워드 라인들에 해당할 수 있고, 및 상기 컬럼 라인들(C1-Cm)은 비트 라인들에 해당할 수 있다.The cell array 100 may have a cross-point type connection structure. The semiconductor memory device may be a variable resistive memory device such as a resistive random access memory (ReRAM), a phase changeable random access memory (PCRAM), or a conductive bridge random access memory (CBRAM). . In the technical concept of the present invention, the row lines R1 to Rn may correspond to word lines, and the column lines C1 to Cm may correspond to bit lines.

다른 실시예에서, 상기 반도체 메모리 소자의 상기 셀 어레이(100)는 뉴로모픽 소자의 시냅스 어레이일 수 있다. 예를 들어, 상기 로우 드라이버(RD)는 상기 뉴로모픽 소자의 프리-시냅틱 뉴런에 해당할 수 있고, 상기 컬럼 드라이버(RD)는 상기 뉴로모픽 소자의 포스트-시냅틱 뉴런에 해당할 수 있고, 상기 로우 라인들(R1-Rn)은 상기 뉴로모픽 소자의 프리-시냅틱 라인들에 해당할 수 있고, 상기 컬럼 라인들(C1-Cm)은 상기 뉴로모픽 소자의 포스트-시냅틱 라인들에 해당할 수 있고, 및 상기 메모리 셀들(MC)은 뉴로모픽 소자의 시냅스들에 해당할 수 있다.In another embodiment, the cell array 100 of the semiconductor memory device may be a synaptic array of a neuromorphic device. For example, the row driver RD may correspond to a pre-synaptic neuron of the neuromorphic device, and the column driver RD may correspond to a post-synaptic neuron of the neuromorphic device; The row lines R1-Rn may correspond to pre-synaptic lines of the neuromorphic device, and the column lines C1-Cm may correspond to post-synaptic lines of the neuromorphic device. and the memory cells MC may correspond to synapses of a neuromorphic device.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(100A)를 개략적으로 보이는 3차원적 사시도이다. 2 is a three-dimensional perspective view schematically showing a cell array 100A of the semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 상기 반도체 메모리 소자의 상기 셀 어레이(100A)는 다수의 워드 라인들(30), 다수의 비트 라인들(40), 및 다수의 셀 필라들(P)을 포함할 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 제1 방향(D1)으로 서로 평행하게 연장할 수 있다. 상기 제1 방향(D1)은 수평적 로우 방향일 수 있다. 상기 비트 라인들(40)은 제2 방향(D2)으로 연장하는 다수 개의 비트 라인 스택들(40S)로 구성될 수 있다. 즉, 상기 비트 라인 스택들(40S)은 각각, 다수 개의 비트 라인들(40)을 가질 수 있다. 상기 제2 방향(D2)은 수평적 컬럼 방향일 수 있다. 상기 다수의 셀 필라들(P)은 상기 비트 라인들(40)을 관통하도록 제3 방향(D3)으로 연장할 수 있다. 상기 제3 방향(D3)은 수직 방향일 수 있다. 즉, 상기 다수의 셀 필라들(P)은 상기 워드 라인들(30)로부터 수직 방향으로 연장하는 원 기둥 모양들을 가질 수 있다. 상기 다수의 셀 필라들(P)은 상기 워드 라인들(30)과 전기적으로 직접적으로 연결될 수 있다. 상기 셀 필라들(P)이 상기 비트 라인 스택들(40S)을 수직으로 관통하므로, 상기 하나의 비트 라인 스택(40S)은 다수 개의 셀 필라들(P)과 전기적으로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 2 , the cell array 100A of the semiconductor memory device may include a plurality of word lines 30, a plurality of bit lines 40, and a plurality of cell pillars P. . The word lines 30 may extend parallel to each other in the first direction D1. The first direction D1 may be a horizontal row direction. The bit lines 40 may include a plurality of bit line stacks 40S extending in the second direction D2. That is, each of the bit line stacks 40S may have a plurality of bit lines 40 . The second direction D2 may be a horizontal column direction. The plurality of cell pillars P may extend in the third direction D3 to pass through the bit lines 40 . The third direction D3 may be a vertical direction. That is, the plurality of cell pillars P may have circular pillar shapes extending in a vertical direction from the word lines 30 . The plurality of cell pillars P may be electrically and directly connected to the word lines 30 . Since the cell pillars P vertically pass through the bit line stacks 40S, the one bit line stack 40S may be electrically connected to a plurality of cell pillars P.

상기 워드 라인들(30)은 상기 비트 라인 스택들(40S) 및 상기 셀 필라들(P) 상에 배치될 수 있다. 상기 다수의 셀 필라들(P)의 상단부들은 상기 워드 라인들(30)과 각각 전기적으로 연결될 수 있고, 및 상기 다수의 셀 필라들(P)의 하단부들은 상기 비트 라인 스택들(40S)의 최하부의 비트 라인(40)보다 아래 방향으로 돌출할 수 있고, 및 상기 워드 라인들(30) 및 상기 비트 라인들(40)로부터 플로팅될 수 있다. 즉, 상기 다수의 셀 필라들(P)의 하단부들은 다른 전도성 구성 요소와 연결되지 않을 수 있다. The word lines 30 may be disposed on the bit line stacks 40S and the cell pillars P. Upper ends of the plurality of cell pillars P may be electrically connected to the word lines 30, respectively, and lower ends of the plurality of cell pillars P may be lowermost portions of the bit line stacks 40S. may protrude downward from the bit line 40 of and may float from the word lines 30 and the bit lines 40 . That is, lower ends of the plurality of cell pillars P may not be connected to other conductive components.

도 3a는 도 2의 I-I' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이고 및 도 3b는 도 2의 II-II' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이다.FIG. 3A is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along line II' of FIG. 2 and FIG. 3B is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along line II-II' of FIG. 2 .

도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(100A)는 기판(10) 상에 형성된 하부 절연층(20), 상기 하부 절연층(20) 상에 적층된 비트 라인 스택들(40S), 셀 필라들(P), 및 워드 라인들(30)을 포함할 수 있다. 상기 비트 라인 스택들(40S)은 수평 방향으로 평행하게 연장하는 다수의 비트 라인들(40)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 적층된 비트 라인들(40) 사이에는 다수의 층간 절연층들(25)이 개재될 수 있다. 따라서, 상기 비트 라인들(40) 및 상기 층간 절연층들(25)은 상기 기판(10) 및 상기 하부 절연층(20) 상에 교대로 적층될 수 있다. 상기 비트 라인 스택들(40S)과 상기 워드 라인들(30) 사이에는 상부 층간 절연층(26)이 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 3A and 3B , a cell array 100A of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention has a lower insulating layer 20 formed on a substrate 10 and stacked on the lower insulating layer 20 . may include bit line stacks 40S, cell pillars P, and word lines 30. The bit line stacks 40S may include a plurality of bit lines 40 extending in parallel in a horizontal direction. A plurality of interlayer insulating layers 25 may be interposed between the plurality of stacked bit lines 40 . Thus, the bit lines 40 and the interlayer insulating layers 25 may be alternately stacked on the substrate 10 and the lower insulating layer 20 . An upper interlayer insulating layer 26 may be formed between the bit line stacks 40S and the word lines 30 .

상기 기판(10)은 단결정 실리콘 같은 벌크 반도체 웨이퍼 또는 에피택셜 성장한 단결정 실리콘 같은 반도체 층을 포함할 수 있다.The substrate 10 may include a bulk semiconductor wafer such as single crystal silicon or a semiconductor layer such as epitaxially grown single crystal silicon.

상기 하부 절연층(20)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 상기 하부 절연층(20)은 상기 기판(10)과 상기 비트 라인들(40) 및 상기 기판(10)과 상기 셀 필라들(P)을 전기적으로 절연할 수 있다. The lower insulating layer 20 may include silicon oxide, silicon nitride, or a combination thereof. The lower insulating layer 20 may electrically insulate the substrate 10 from the bit lines 40 and the substrate 10 from the cell pillars P.

상기 셀 필라들(P)은 상기 비트 라인들(40)을 수직으로 관통하도록 수직 방향으로 연장할 수 있다. 상기 셀 필라들(P)의 상단들은 상기 워드 라인들(30)과 각각 직접적으로 전기적으로 연결될 수 있고, 및 상기 셀 필라들(P)의 하단들은 플로팅될 수 있다. 즉, 상기 셀 필라들(P)의 하단들은 상기 기판(10) 또는 다른 전도성 구성 요소들과 전기적 및 물리적으로 연결되지 않을 수 있다. 상기 셀 필라들(P)은 상기 상부 층간 절연층(26) 및 층간 절연층들(25)을 관통할 수 있고, 및 상기 하부 층간 절연층(20) 내부로 부분적으로 돌출할 수 있다. 상기 다수의 셀 필라들(P)의 하단부들은 상기 비트 라인 스택들(40S)의 최하부의 비트 라인(40)보다 아래 방향으로 돌출할 수 있다.The cell pillars P may extend in a vertical direction to vertically pass through the bit lines 40 . Upper ends of the cell pillars P may be directly electrically connected to the word lines 30, respectively, and lower ends of the cell pillars P may be floating. That is, lower ends of the cell pillars P may not be electrically and physically connected to the substrate 10 or other conductive elements. The cell pillars P may pass through the upper interlayer insulating layer 26 and the interlayer insulating layers 25 and partially protrude into the lower interlayer insulating layer 20 . Lower ends of the plurality of cell pillars P may protrude downward from the lowermost bit line 40 of the bit line stacks 40S.

상기 워드 라인들(30)은 상기 셀 필라들(P)과 전기적으로 연결되도록 상기 셀 필라들(P) 상에 배치될 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 상기 비트 라인들(40)과 직교하는 수평 방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 상기 워드 라인들(30)은 제1 수평 방향으로 연장할 수 있고, 및 상기 비트 라인들(40)은 상기 제1 수평 방향과 직교하는 제2 수평 방향으로 연장할 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 전도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 워드 라인들(30)은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al) 같은 금속; 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다.The word lines 30 may be disposed on the cell pillars P so as to be electrically connected to the cell pillars P. The word lines 30 may extend in a horizontal direction orthogonal to the bit lines 40 . For example, the word lines 30 may extend in a first horizontal direction, and the bit lines 40 may extend in a second horizontal direction orthogonal to the first horizontal direction. The word lines 30 may include a conductor. For example, the word lines 30 may include a metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), copper (Cu), or aluminum (Al); metal compounds such as tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), and ruthenium oxide (RuO 2 ); metal silicides such as tungsten silicide (WSi), titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi); or doped silicon.

상기 비트 라인들(40)은 전도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비트 라인들(40)은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 또는 이리듐(Ir) 같은 금속; 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 기타 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다.The bit lines 40 may include a conductor. For example, the bit lines 40 may include a metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), or iridium (Ir); other metal compounds such as tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), ruthenium oxide (RuO 2 ); metal silicides such as tungsten silicide (WSi), titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi); or doped silicon.

상기 다수의 층간 절연층들(25)은 상기 비트 라인들(40)을 전기적으로 절연하도록 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 같은 절연물을 포함할 수 있다. 상기 상부 층간 절연층(26)은 상기 비트 라인 스택들(40S)과 상기 워드 라인들(30)을 전기적으로 절연하도록 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 같은 절연물을 포함할 수 있다.The plurality of interlayer insulating layers 25 may include an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride to electrically insulate the bit lines 40 . The upper interlayer insulating layer 26 may include an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride to electrically insulate the bit line stacks 40S and the word lines 30 .

도 4a는 도 3의 'A'영역을 확대한 도면이고, 및 도 4b는 III-III' 선을 따라 취해진 횡단면도이다. 도 4a 및 4b를 참조하면, 상기 셀 필라(P)는 중앙의 코어(35) 및 주위의 메모리 층(60)을 포함할 수 있다. 상기 코어(35)의 일부 및 상기 메모리 층(60)의 일부는 각각, 하나의 메모리 셀(MC)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 셀 필라(P)는 상기 다수 개의 적층된 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있고, 상기 메모리 셀들(MC)은 각각 중앙의 코어(35) 및 상기 코어(35)를 감싸는 메모리 층(60)을 포함할 수 있다. FIG. 4A is an enlarged view of area 'A' of FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line III-III'. Referring to FIGS. 4A and 4B , the cell pillar P may include a central core 35 and a peripheral memory layer 60 . A portion of the core 35 and a portion of the memory layer 60 may each form one memory cell MC. For example, the cell pillar P may include the plurality of stacked memory cells MC, and the memory cells MC include a central core 35 and a memory surrounding the core 35, respectively. Layer 60 may be included.

상기 코어(35)는 상기 워드 라인(30)과 직접적으로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 코어(35)는 전도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코어(35)는 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al) 같은 금속; 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다. The core 35 may be directly electrically connected to the word line 30 . The core 35 may include a conductor. For example, the core 35 may include a metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), copper (Cu), or aluminum (Al); metal compounds such as tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), and ruthenium oxide (RuO 2 ); metal silicides such as tungsten silicide (WSi), titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi); or doped silicon.

상기 메모리 층(60)은 적어도 3 층의 제1 내지 제3 가변 저항층들(61, 62, 63)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 가변 저항층들(61, 62, 63)은 에너지 밴드 갭(energy band gaps), 화학적 포텐셜(chemical potentials), 이온 모빌리티, 필라멘트 생성 문턱 전압들, 상 변화 문턱 전압들, 또는 원자 이동 문턱 전압들을 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 가변 저항층(61)이 가장 큰 에너지 밴드 갭, 화학적 포텐셜, 필라멘트 생성 문턱 전압, 상 변화 문턱 전압, 또는 원자 이동 문턱 전압을 갖고, 상기 제3 가변 저항층(63)이 가장 작은 에너지 밴드 갭, 화학적 포텐셜, 필라멘트 생성 문턱 전압, 상 변화 문턱 전압, 또는 원자 이동 문턱 전압을 가질 수 있다. 또는 상기 제1 가변 저항층(61)이 가장 낮은 이온 모빌리티를 가질 수 있고, 및 상기 제3 가변 저항층(63)이 가장 높은 이온 모빌리티를 가질 수 있다. 상기 제1 가변 저항층(61)의 전기적 저항이 가장 어렵게 변할 수 있고, 및 상기 제3 가변 저항층(63)의 전기적 저항이 가장 쉽게 변할 수 있다. 상기 반도체 메모리 소자가 저항성 램 또는 전도성 브리지 램일 경우, 상기 제1 가변 저항층(61) 내에 전도성 필라멘트가 가장 어렵게 형성될 수 있고, 및 상기 제3 가변 저항층(63) 내에 전도성 필라멘트가 가장 쉽게 형성될 수 있다. 다른 말로, 상기 제1 가변 저항층(61)의 필라멘트 생성 문턱 전압이 상대적으로 가장 높을 수 있고, 및 상기 제3 가변 저항층(63)의 필라멘트 생성 문턱 전압이 상대적으로 가장 낮을 수 있다.The memory layer 60 may include at least three layers of first to third variable resistance layers 61 , 62 , and 63 . The first to third variable resistance layers 61, 62, and 63 are configured to measure energy band gaps, chemical potentials, ion mobility, filament generation threshold voltages, phase change threshold voltages, or At least one of the atomic movement threshold voltages may be different from each other. For example, the first variable resistance layer 61 has the largest energy band gap, chemical potential, filament generation threshold voltage, phase change threshold voltage, or atom migration threshold voltage, and the third variable resistance layer 63 It may have the smallest energy band gap, chemical potential, filament formation threshold voltage, phase change threshold voltage, or atomic migration threshold voltage. Alternatively, the first variable resistance layer 61 may have the lowest ion mobility, and the third variable resistance layer 63 may have the highest ion mobility. The electrical resistance of the first variable resistance layer 61 is most difficult to change, and the electrical resistance of the third variable resistance layer 63 is most easily changeable. When the semiconductor memory device is a resistive RAM or a conductive bridge RAM, a conductive filament can be formed most difficult in the first variable resistance layer 61, and a conductive filament can be formed most easily in the third variable resistance layer 63 It can be. In other words, the first variable resistance layer 61 may have a relatively high filament generation threshold voltage, and the third variable resistance layer 63 may have a relatively low filament generation threshold voltage.

상기 제1 내지 제3 가변 저항층들(61, 62, 63)은 하프늄 산화물 (HfO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 란타늄 산화물(La2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 실리콘 산화물(SiO2), 또는 티타늄 산화물(TiO2) 등의 산소 베이컨시를 포함하는 다양한 금속 산화물, 고유전율 산화물, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. The first to third variable resistance layers 61, 62, and 63 may include hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). ), silicon oxide (SiO 2 ), or various metal oxides including oxygen vacancy such as titanium oxide (TiO 2 ), a high dielectric constant oxide, or a combination thereof.

도 5a 및 5b는 상기 반도체 메모리 소자의 프로그래밍 동작 원리를 설명하는 도면들이다. 예시적으로, 세 개의 메모리 셀들(MC1-MC3) 및 세 개의 비트 라인들(40_1-40_3)이 설명된다.5A and 5B are diagrams explaining a programming operation principle of the semiconductor memory device. As an example, three memory cells MC1 to MC3 and three bit lines 40_1 to 40_3 are described.

도 5a 및 5b를 참조하면, 상기 반도체 메모리 소자의 프로그래밍 동작에서, 각 메모리 셀들(MC1-MC3)이 서로 다른 데이터 값들, 예를 들어 서로 다른 저항 레벨들을 갖도록 프로그램하기 위하여, 상기 반도체 메모리 소자의 상기 워드 라인(30), 즉 상기 코어(35)에 워드 라인 프로그램 전압(Vwp)이 인가되고, 제1 비트 라인(40_1)에 제1 비트 라인 프로그램 전압(Vbp1)이 인가되고, 제2 비트 라인(40_2)에 제2 비트 라인 프로그램 전압(Vbp2)이 인가되고, 및 상기 제3 비트 라인(40_3)에 제3 비트 라인 프로그램 전압(Vbp3)이 인가될 수 있다. 5A and 5B , in the programming operation of the semiconductor memory device, in order to program the memory cells MC1 to MC3 to have different data values, for example, different resistance levels, the semiconductor memory device may have different resistance levels. The word line program voltage Vwp is applied to the word line 30, that is, the core 35, the first bit line program voltage Vbp1 is applied to the first bit line 40_1, and the second bit line ( The second bit line program voltage Vbp2 may be applied to 40_2 , and the third bit line program voltage Vbp3 may be applied to the third bit line 40_3 .

상기 워드 라인 프로그램 전압(Vwp)과 상기 제1 비트 라인 프로그램 전압(Vbp1)의 차이가 가장 크고, 및 상기 워드 라인 프로그램 전압(Vwp)과 상기 제3 비트 라인 프로그램 전압(Vbp3)의 차이가 가장 작은 것으로 가정되고, 및 설명된다. 즉, |Vwp - Vbp1| > |Vwp - Vbp2| > |Vwp - Vbp3| 일 수 있다. 예를 들어, 모든 프로그램 전압들 (Vwp, Vbpp1, Vbp2, Vbp3)이 포지티브(+) 값을 가질 경우, 상기 제1 비트 라인 프로그램 전압(Vbp1)이 가장 작고, 및 상기 제3 비트 라인 프로그램 전압(Vbp3)이 가장 높을 수 있다. A difference between the word line program voltage Vwp and the first bit line program voltage Vbp1 is the largest, and a difference between the word line program voltage Vwp and the third bit line program voltage Vbp3 is the smallest. It is assumed, and described. That is, |Vwp - Vbp1| > |Vwp - Vbp2| > |Vwp - Vbp3| can be For example, when all of the program voltages Vwp, Vbpp1, Vbp2, and Vbp3 have positive (+) values, the first bit line program voltage Vbp1 is the smallest, and the third bit line program voltage ( Vbp3) may be the highest.

가장 큰 전압 차이가 인가된 상기 제1 메모리 셀 (MC1)에서는 가장 큰 제1 필라멘트 (F1)가 형성될 수 있고, 가장 작은 전압 차이가 인가된 상기 제3 메모리 셀(MC3)에서는 가장 작은 제3 필라멘트(F3)가 인가될 수 있다. 중간 전압 차이가 인가된 상기 제2 메모리 셀(MC2)에서는 중간 크기를 갖는 제2 필라멘트(F2)가 형성될 수 있다. 상기 메모리 셀들(MC1-MC3)이 저항성 메모리 램 또는 전도성 브리지 램의 메모리 셀들인 것으로 가정되고, 및 설명되었다. 상기 메모리 셀들(MC1-MC3)이 상 변화 램의 메모리 셀들일 경우, 상기 필라멘트들(F1-F3)은 상 변화 영역들(phase changed regions)일 수 있다.The largest first filament F1 can be formed in the first memory cell MC1 to which the largest voltage difference is applied, and the smallest third filament F1 can be formed in the third memory cell MC3 to which the smallest voltage difference is applied. A filament F3 may be applied. A second filament F2 having an intermediate size may be formed in the second memory cell MC2 to which the intermediate voltage difference is applied. It is assumed and described that the memory cells MC1 - MC3 are memory cells of a resistive memory RAM or a conductive bridge RAM. When the memory cells MC1 to MC3 are memory cells of a phase change RAM, the filaments F1 to F3 may be phase changed regions.

언급되었듯이, 상기 제1 가변 저항층(61)이 가장 높은 밴드 갭, 화학적 포텐셜, 이온 모빌리티, 필라멘트 생성 문턱 전압, 상 변화 문턱 전압, 또는 원자 이동 문턱 전압을 갖고, 상기 제3 가변 저항층(63)이 가장 낮은 밴드 갭, 화학적 포텐셜, 이온 모빌리티, 필라멘트 생성 문턱 전압, 상 변화 문턱 전압, 또는 원자 이동 문턱 전압을 가질 경우, 상기 제1 내지 제3 가변 저항층들(61-63)은 동일한 전압에서 각각 서로 다른 크기의 전도성 필라멘트들을 형성할 수 있다. 구체적으로, 가장 높은 문턱 전압을 갖는 상기 제1 가변 저항층(61) 내에 형성된 상기 필라멘트가 가장 작을 수 있고, 및 가장 낮은 문턱 전압을 갖는 상기 제3 가변 저항층(63) 내에 형성된 상기 필라멘트가 가장 클 수 있다. 따라서, 상기 반도체 메모리 소자의 읽기 동작에서는, 상기 제1 메모리 셀(MC1)의 저항 값이 가장 낮을 수 있고, 상기 제3 메모리 셀(MC3)의 저항 값이 가장 높을 수 있다. As mentioned above, the first variable resistance layer 61 has the highest band gap, chemical potential, ion mobility, filament generation threshold voltage, phase change threshold voltage, or atomic migration threshold voltage, and the third variable resistance layer ( 63) has the lowest band gap, chemical potential, ion mobility, filament generation threshold voltage, phase change threshold voltage, or atom migration threshold voltage, the first to third variable resistance layers 61 to 63 have the same It is possible to form conductive filaments of different sizes, respectively, at the voltage. Specifically, the filament formed in the first variable resistance layer 61 having the highest threshold voltage may be the smallest, and the filament formed in the third variable resistance layer 63 having the lowest threshold voltage may be the smallest. can be big Therefore, in the read operation of the semiconductor memory device, the resistance value of the first memory cell MC1 may be the lowest and the resistance value of the third memory cell MC3 may be the highest.

도 5b를 참조하면, 가장 큰 전압 차이가 인가된 상기 제1 메모리 셀(MC1)에서, 제1 필라멘트(F1)는 상기 제1 내지 제3 가변 저항층들(61-63) 내에서 형성된 필라멘트들을 포함할 수 있고, 중간 전압 차이가 인가된 상기 제2 메모리 셀(MC2)에서, 제2 필라멘트(F2)는 상기 제2 및 제3 가변 저항층들(62, 63) 내에서 형성된 필라멘트들을 포함할 수 있고, 및 가장 작은 전압 차이가 인가된 상기 제3 메모리 셀(MC3)에서, 제3 필라멘트(F3)는 상기 제3 가변 저항층(63) 내에만 형성된 필라멘트를 포함할 수 있다. 상기 필라멘트가 형성되지 않은 상기 제2 메모리 셀(MC2)의 상기 제1 가변 저항층(61), 및 상기 제3 메모리 셀(MC3)의 상기 제1 가변 저항층(61) 및 상기 제2 가변 저항층(62) 내에서는 상기 코어(35)(즉, 상기 워드 라인(30)) 및 상기 비트 라인들(40_1, 40_2, 40_3)에 인가된 읽기 전압들의 전압 차이들에 따라 전자 터널링이 일어날 수 있다. 따라서, 상기 반도체 메모리 소자의 읽기 동작에서는, 상기 제1 메모리 셀(MC1)의 저항 값이 가장 낮을 수 있고, 상기 제3 메모리 셀(MC3)의 저항 값이 가장 클 수 있다.Referring to FIG. 5B , in the first memory cell MC1 to which the largest voltage difference is applied, the first filament F1 includes the filaments formed in the first to third variable resistance layers 61 to 63 . In the second memory cell MC2 to which the medium voltage difference is applied, the second filament F2 may include filaments formed in the second and third variable resistance layers 62 and 63. and in the third memory cell MC3 to which the smallest voltage difference is applied, the third filament F3 may include a filament formed only in the third variable resistance layer 63 . The first variable resistance layer 61 of the second memory cell MC2 where the filament is not formed, and the first variable resistance layer 61 and the second variable resistance layer 61 of the third memory cell MC3 In the layer 62, electron tunneling may occur according to voltage differences between read voltages applied to the core 35 (ie, the word line 30) and the bit lines 40_1, 40_2, and 40_3. . Therefore, in the read operation of the semiconductor memory device, the first memory cell MC1 may have the lowest resistance value and the third memory cell MC3 may have the highest resistance value.

본 발명의 기술적 사상에 의하면, 상기 워드 라인 프로그램 전압(Vwp)과 상기 비트 라인 프로그램 전압들(Vbp1-Vbp3)의 전압 차이에 따라 상기 메모리 셀들(MC1-MC3)이 다양한 저항 레벨들을 가질 수 있다. 예를 들어, 뉴로모픽 소자의 경우, 상기 워드 라인 프로그램 전압(Vwp)과 상기 비트 라인 프로그램 전압들(Vbp1-Vbp3)의 전압 차이에 따라 상기 메모리 셀들(MC1-MC3)이 다양한 학습 레벨들을 가질 수 있다.According to the technical concept of the present invention, the memory cells MC1 to MC3 may have various resistance levels according to a voltage difference between the word line program voltage Vwp and the bit line program voltages Vbp1 to Vbp3. For example, in the case of a neuromorphic device, the memory cells MC1 to MC3 may have various learning levels according to a voltage difference between the word line program voltage Vwp and the bit line program voltages Vbp1 to Vbp3. can

본 발명의 기술적 사상에서, 상기 메모리 층(60)이 세 층의 가변 저항층들(61-63)을 포함하는 것으로 설명되었으나, 상기 메모리 층(60)은 네 층 이상의 가변 저항층들을 포함할 수 있다. 즉, 더 많은 저항 레벨들을 가질 수 있다. In the spirit of the present invention, the memory layer 60 has been described as including three layers of variable resistance layers 61 to 63, but the memory layer 60 may include four or more layers of variable resistance layers. there is. That is, it can have more resistance levels.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(100B)를 개략적으로 보이는 3차원적 사시도이다. 도 6을 참조하면, 상기 반도체 메모리 소자의 상기 셀 어레이(100B)는 다수의 워드 라인들(30), 다수의 비트 라인들(40), 및 다수의 셀 필라들(P)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 상기 반도체 메모리 소자의 상기 셀 어레이(100A)와 비교하여, 상기 다수의 워드 라인들(30)이 상기 다수의 비트 라인들(40) 및 상기 다수의 셀 필라들(P)의 하부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 다수의 셀 필라들(P)의 하단부들은 상기 워드 라인들(30)과 각각 전기적으로 연결될 수 있고, 및 상기 다수의 셀 필라들(P)의 상단부들은 플로팅될 수 있다. 6 is a three-dimensional perspective view schematically showing the cell array 100B of the semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , the cell array 100B of the semiconductor memory device may include a plurality of word lines 30, a plurality of bit lines 40, and a plurality of cell pillars P. . Compared to the cell array 100A of the semiconductor memory device shown in FIG. 2 , the plurality of word lines 30 are the plurality of bit lines 40 and the plurality of cell pillars P. can be placed at the bottom. That is, lower ends of the plurality of cell pillars P may be electrically connected to the word lines 30, respectively, and upper ends of the plurality of cell pillars P may be floating.

도 7a는 도 6의 IV-IV' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이고 및 도 7b는 도 6의 V-V' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이다.7A is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line IV-IV' of FIG. 6, and FIG. 7B is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line V-V' of FIG.

도 7a 및 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(100B)는 기판(10) 상에 형성된 하부 절연층(20), 상기 하부 절연층(20) 상에 배치된 워드 라인들(30), 상기 위드 라인들(20) 상에 배치된 셀 필라들(P) 및 비트 라인 스택들(40S)을 포함할 수 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 상기 반도체 메모리 소자의 상기 셀 어레이(100A)와 비교하여, 상기 워드 라인들(30)이 상기 셀 필라들(P) 및 상기 비트 라인 스택들(40S)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 상기 하부 층간 절연층(20)에 의해 상기 기판(10)과 절연될 수 있다. 즉, 상기 셀 필라들(P)의 하단들은 상기 워드 라인들(30)과 전기적으로 연결될 수 있고, 및 상기 셀 필라들(P)의 상단들은 플로팅될 수 있다.Referring to FIGS. 7A and 7B , a cell array 100B of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention has a lower insulating layer 20 formed on a substrate 10 and disposed on the lower insulating layer 20 . word lines 30, cell pillars P and bit line stacks 40S disposed on the weed lines 20. Compared to the cell array 100A of the semiconductor memory device shown in FIGS. 3A and 3B , the word lines 30 are disposed below the cell pillars P and the bit line stacks 40S. It can be. The word lines 30 may be insulated from the substrate 10 by the lower interlayer insulating layer 20 . That is, lower ends of the cell pillars P may be electrically connected to the word lines 30 , and upper ends of the cell pillars P may be floating.

도 8a는 도 6의 IV-IV' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이고 및 도 8b는 도 6의 V-V' 선을 따라 취해진 상기 반도체 메모리 소자의 개략적인 종단면도이다.8A is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line IV-IV' of FIG. 6, and FIG. 8B is a schematic longitudinal cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along the line V-V' of FIG.

도 8a 및 8b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(100C)는 기판(10) 내에 매립된 워드 라인들(30), 및 상기 기판(10) 상에 형성된 하부 절연층(20), 상기 위드 라인들(20) 상에 배치된 셀 필라들(P), 비트 라인 스택들(40S), 및 다수의 층간 절연층들(25, 26)을 포함할 수 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 상기 반도체 메모리 소자의 상기 셀 어레이(100A)와 비교하여, 상기 워드 라인들(30)이 상기 셀 필라들(P) 및 상기 비트 라인 스택들(40S)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 상기 기판(10)의 내부에 매립될 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 상기 기판(10) 내에 형성된 도핑된 영역이거나, 또는 상기 기판(10) 내에 매립된 금속 라인일 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 상기 기판(10) 내에 형성된 절연성 영역(12)에 의해 상기 기판(10)의 벌크 영역과 전기적으로 절연될 수 있다. 상기 절연성 영역(12)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하는 절연물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 절연성 영역(12)은 상기 워드 라인(30) 또는 상기 기판(10) 중 어느 하나와 공핍 영역을 형성하기 위한 N-형 또는 P-형 도핑된 영역일 수 있다. Referring to FIGS. 8A and 8B , a cell array 100C of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention includes word lines 30 buried in a substrate 10, and a lower portion formed on the substrate 10. It may include an insulating layer 20 , cell pillars P disposed on the weed lines 20 , bit line stacks 40S, and a plurality of interlayer insulating layers 25 and 26 . Compared to the cell array 100A of the semiconductor memory device shown in FIGS. 3A and 3B , the word lines 30 are disposed below the cell pillars P and the bit line stacks 40S. It can be. The word lines 30 may be buried inside the substrate 10 . The word lines 30 may be doped regions formed in the substrate 10 or may be metal lines buried in the substrate 10 . The word lines 30 may be electrically insulated from the bulk region of the substrate 10 by an insulating region 12 formed in the substrate 10 . The insulating region 12 may include an insulating material including silicon oxide or silicon nitride. In another embodiment, the insulating region 12 may be an N-type or P-type doped region for forming a depletion region with either the word line 30 or the substrate 10 .

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(200)를 개념적으로 도시한 블록 다이아그램이다. 도 9를 참조하면, 상기 반도체 메모리 소자의 셀 어레이(200)는 로우 드라이버(RD), 다수의 컬럼 드라이버들(CD-1 - CD-m), 상기 로우 드라이버(RD)로부터 로우 방향으로 평행하게 연장하는 다수의 로우 라인들(R1-Rn), 상기 다수의 컬럼 드라이버들(CD-1 - CD-m)로부터 컬럼 방향으로 평행하게 연장하는 다수의 컬럼 라인들(C11-CmM)을 포함하는 컬럼 라인 세트들(CS-1, CS-2, …, CD-m), 및 상기 로우 라인들(R1-Rn)과 상기 컬럼 라인들(C11-CmM) 사이의 교차 영역들에 배치된 다수의 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 컬럼 드라이버들(CD-1, CD-2, …, CD-m) 중 하나와 상기 컬럼 라인 세트들(CS-1, CS-2, …, CD-m) 중 하나가 각각 연결되어 메모리 블록들(B1, B2, …, Bm)을 형성할 수 있다. 9 is a block diagram conceptually illustrating a cell array 200 of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9 , the cell array 200 of the semiconductor memory device includes a row driver RD, a plurality of column drivers CD-1 to CD-m, and a plurality of column drivers CD-1 to CD-m in parallel in a row direction from the row driver RD. A column including a plurality of row lines (R1-Rn) extending, and a plurality of column lines (C11-CmM) extending in parallel in a column direction from the plurality of column drivers (CD-1 to CD-m). A plurality of memories arranged in line sets (CS-1, CS-2, ..., CD-m) and crossing areas between the row lines (R1-Rn) and the column lines (C11-CmM) Cells MC may be included. One of the plurality of column drivers CD-1, CD-2, ..., CD-m is connected to one of the column line sets CS-1, CS-2, ..., CD-m, respectively. Memory blocks B1, B2, ..., Bm may be formed.

도 10a 및 10b는 본 발명의 실시예들에 의한 반도체 메모리 소자의 셀 어레이들(200A, 200B)을 개략적으로 보이는 3차원적 사시도들이다.10A and 10B are three-dimensional perspective views schematically illustrating cell arrays 200A and 200B of a semiconductor memory device according to example embodiments.

도 10a 및 10b를 참조하면, 상기 반도체 메모리 소자의 상기 셀 어레이들(200A, 200B)은 다수의 워드 라인들(30), 다수의 비트 라인들(40), 및 다수의 셀 필라들(P)을 포함할 수 있다. 상기 워드 라인들(30)은 제1 방향(D1)으로 서로 평행하게 연장할 수 있다. 상기 제1 방향(D1)은 수평적 로우 방향일 수 있다. 상기 비트 라인들(40)은 제2 방향(D2)으로 연장하는 다수 개의 비트 라인 스택들(40S)로 구성될 수 있다. 즉, 상기 비트 라인 스택들(40S)은 각각, 다수 개의 비트 라인들(40)을 가질 수 있다. 상기 제2 방향(D2)은 수평적 컬럼 방향일 수 있다. 상기 다수 개의 비트 라인 스택들(40S)는 각각 메모리 셀 블록(B)을 형성할 수 있다. 상기 다수의 셀 필라들(P)은 상기 비트 라인들(40)을 관통하도록 제3 방향(D3)으로 연장할 수 있다. 상기 제3 방향(D3)은 수직 방향일 수 있다. 10A and 10B, the cell arrays 200A and 200B of the semiconductor memory device include a plurality of word lines 30, a plurality of bit lines 40, and a plurality of cell pillars P. can include The word lines 30 may extend parallel to each other in the first direction D1. The first direction D1 may be a horizontal row direction. The bit lines 40 may include a plurality of bit line stacks 40S extending in the second direction D2. That is, each of the bit line stacks 40S may have a plurality of bit lines 40 . The second direction D2 may be a horizontal column direction. Each of the plurality of bit line stacks 40S may form a memory cell block B. The plurality of cell pillars P may extend in the third direction D3 to pass through the bit lines 40 . The third direction D3 may be a vertical direction.

도 10a를 참조하여, 상기 워드 라인들(30)은 상기 비트 라인 스택들(40S) 및 상기 셀 필라들(P)의 상부에 배치될 수 있다. 도 10b를 참조하여, 상기 워드 라인들(30)은 상기 비트 라인 스택들(40S) 및 상기 셀 필라들(P)의 하부에 배치될 수 있다. 도 10a 및 10b에 도시된 상기 셀 어레이들(200A, 200B)에 대한 보다 상세한 설명은 도 3a 및 3b, 및 도 4a 및 4b를 참조하면 이해될 수 있을 것이다.Referring to FIG. 10A , the word lines 30 may be disposed above the bit line stacks 40S and the cell pillars P. Referring to FIG. 10B , the word lines 30 may be disposed under the bit line stacks 40S and the cell pillars P. A more detailed description of the cell arrays 200A and 200B shown in FIGS. 10A and 10B will be understood with reference to FIGS. 3A and 3B and FIGS. 4A and 4B .

도 9, 도 10a, 및 10b에서, 상기 워드 라인들(30) 중 하나와 다수 개의 비트 라인들(40)이 상기 셀 필라들(P) 중 하나를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 도 4a 및 4b를 더 참조하여, 상기 셀 필라들(P)은 상기 워드 라인(30)과 상기 비트 라인들(40)이 교차하는 영역에 각각 다수 개의 메모리 셀들(MC)을 가질 수 있다. 따라서, 하나의 워드 라인(30)에 의해 다수 개의 메모리 셀들(MC)이 다수 개의 비트 라인들(40)을 통하여 다수 개의 데이터를 출력할 수 있다. 상기 하나의 워드 라인(30)은 다수 개의 블록들(B)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 다수 개의 블록들(B)이 각각 서로 다른 전압 레벨에서 구동될 경우, 상기 셀 어레이(200A, 200B)는 하나의 블록(B) 또는 선택된 다수 개의 블록(B)만을 이용하여 동작할 수 있다. 따라서, 반도체 메모리 소자의 구동 효율 및 속도 등이 향상될 수 있고, 다중 데이터 레벨화가 구현될 수 있다. 9, 10A, and 10B, one of the word lines 30 and a plurality of bit lines 40 may be electrically connected through one of the cell pillars P. Further referring to FIGS. 4A and 4B , each of the cell pillars P may include a plurality of memory cells MC in an area where the word line 30 and the bit lines 40 intersect. Accordingly, a plurality of memory cells MC may output a plurality of data through a plurality of bit lines 40 through one word line 30 . The one word line 30 may be electrically connected to a plurality of blocks (B). When the plurality of blocks B are driven at different voltage levels, the cell arrays 200A and 200B may operate using only one block B or selected plurality of blocks B. Accordingly, driving efficiency and speed of the semiconductor memory device may be improved, and multi-data leveling may be implemented.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 메모리 소자의 개념적인 종단면도이다.11 is a conceptual longitudinal cross-sectional view of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 반도체 메모리 소자는 기판(10) 상에 형성된 회로부(15), 하부 절연층(20), 상기 하부 절연층(20) 상에 적층된 비트 라인들(40), 및 층간 절연층들(25), 상기 비트 라인들(40) 및 상기 층간 절연층들(25)을 수직으로 관통하는 셀 필라들(P), 상기 셀 필라들(P) 상의 워드 라인들(30), 및 상기 비트 라인들(40)과 상기 회로부(15)를 전기적으로 연결하기 위한 비아 플러그들(45)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 11 , the semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention includes a circuit unit 15 formed on a substrate 10, a lower insulating layer 20, and bits stacked on the lower insulating layer 20. Lines 40 and interlayer insulating layers 25, cell pillars P vertically penetrating the bit lines 40 and the interlayer insulating layers 25, the cell pillars P It may include word lines 30 and via plugs 45 for electrically connecting the bit lines 40 and the circuit unit 15 .

상기 회로부(15)는 다수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 회로부(15)는 로직 회로, 프리-시냅틱 회로, 및/또는 포스트-시냅틱 회로를 포함할 수 있다. 상기 비아 플러그들(45)은 전도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비아 플러그 들(45)은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al) 같은 금속을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 비아 플러그들(45)은 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈룸 질화물(TaN), 루테늄 산화물(RuO2) 같은 기타 금속 화합물, 텅스텐 실리사이드(WSi), 티타늄 실리사이드(TiSi), 니켈 실리사이드 (NiSi), 또는 코발트 실리사이드(CoSi) 같은 금속 실리사이드, 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함할 수 있다. The circuit unit 15 may include a plurality of transistors. For example, the circuit unit 15 may include a logic circuit, a pre-synaptic circuit, and/or a post-synaptic circuit. The via plugs 45 may include a conductor. For example, the via plugs 45 may include metal such as tungsten (W), ruthenium (Ru), copper (Cu), or aluminum (Al). In other embodiments of the present invention, the via plugs 45 are formed of tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), other metal compounds such as ruthenium oxide (RuO 2 ), tungsten silicide (WSi) ), a metal silicide such as titanium silicide (TiSi), nickel silicide (NiSi), or cobalt silicide (CoSi), or doped silicon.

상기 기판(10) 내에 상기 트랜지스터들과 상기 비아 플러그들(45)을 전기적으로 연결시키기 위한 활성 영역들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도핑된 영역들이 형성될 수 있다. Active regions for electrically connecting the transistors and the via plugs 45 may be formed in the substrate 10 . For example, doped regions may be formed.

상기 회로부(15) 상에 상기 워드 라인들(30), 상기 비트 라인 스택들(40), 및 상기 셀 필라들(P)이 형성되므로, 집적도가 높아질 수 있다. 또한 수직 배치된 회로부(15)와 셀 어레이는 전기적 신호 경로를 줄여주므로 동작 속도가 빨라질 수 있다.Since the word lines 30 , the bit line stacks 40 , and the cell pillars P are formed on the circuit part 15 , the degree of integration can be increased. In addition, since the vertically arranged circuit unit 15 and the cell array reduce electrical signal paths, the operating speed can be increased.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템(900)을 개념적으로 도시한 다이아그램이다. 예를 들어, 상기 패턴 인식 시스템(900)은 음성 인식 시스템(speech recognition system), 영상 인식 시스템(imaging recognition system), 코드 인식 시스템(code recognition system), 신호 인식 시스템(signal recognition system), 또는 기타 다양한 패턴들을 인식하기 위한 시스템들 중 하나일 수 있다. 12 is a diagram conceptually illustrating a pattern recognition system 900 according to an embodiment of the present invention. For example, the pattern recognition system 900 may be a speech recognition system, an imaging recognition system, a code recognition system, a signal recognition system, or other It can be one of the systems for recognizing various patterns.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템(900)은 중앙 처리 유닛(910), 메모리 유닛(920), 통신 제어 유닛(930), 네트워크(940), 출력 유닛(950), 입력 유닛(960), 아날로그-디지털 변환기(970), 뉴로모픽 유닛(980), 및/또는 버스(990)를 포함할 수 있다. 중앙 처리 유닛(910)은 뉴로모픽 유닛(980)의 학습을 위하여 다양한 신호를 생성 및 전달하고, 및 뉴로모픽 유닛(980)으로부터의 출력에 따라 음성, 영상 등과 같은 패턴을 인식하기 위한 다양한 처리 및 기능을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 12 , the pattern recognition system 900 according to an embodiment of the present invention includes a central processing unit 910, a memory unit 920, a communication control unit 930, a network 940, and an output unit 950. ), an input unit 960, an analog-to-digital converter 970, a neuromorphic unit 980, and/or a bus 990. The central processing unit 910 generates and transmits various signals for learning of the neuromorphic unit 980, and various signals for recognizing patterns such as voice and video according to output from the neuromorphic unit 980. processing and functions.

상기 중앙 처리 유닛(910)은 메모리 유닛(920), 통신 제어 유닛(930), 출력 유닛(950), 아날로그-디지털 변환기(970) 및 뉴로모픽 유닛(980)과 버스(990)을 통하여 연결될 수 있다.The central processing unit 910 may be connected to a memory unit 920, a communication control unit 930, an output unit 950, an analog-to-digital converter 970, and a neuromorphic unit 980 through a bus 990. can

메모리 유닛(920)은 패턴 인식 시스템(900)에서 저장이 요구되는 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리 유닛(920)은 디램(DRAM) 또는 에스램(SRAM) 같은 휘발성 메모리 소자, 피램(PRAM), 엠램(MRAM), 알이램(ReRAM), 또는 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory) 같은 비휘발성 메모리, 또는 하드 디스크 드라이브(HDD) 또는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 같은 다양한 기억 유닛들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The memory unit 920 may store various information required to be stored in the pattern recognition system 900 . The memory unit 920 includes a volatile memory device such as DRAM or SRAM, a non-volatile memory device such as PRAM, MRAM, ReRAM, or NAND flash memory. It may include at least one of a memory or various storage units such as a hard disk drive (HDD) or solid state drive (SSD).

통신 제어 유닛(930)은 인식된 음성, 영상 등의 데이터를 네트워크(940)를 통하여 다른 시스템의 통신 제어 유닛으로 전송하거나 및/또는 수신할 수 있다.The communication control unit 930 may transmit and/or receive recognized data such as voice and video to a communication control unit of another system through the network 940 .

출력 유닛(950)은 인식된 음성, 영상 등의 데이터를 다양한 방식으로 출력할 수 있다. 예컨대, 출력 유닛(950)은 스피커, 프린터, 모니터, 디스플레이 패널, 빔 프로젝터, 홀로그래머, 또는 기타 다양한 출력 장치를 포함할 수 있다.The output unit 950 may output data such as recognized voice and video in various ways. For example, the output unit 950 may include a speaker, printer, monitor, display panel, beam projector, hologrammer, or other various output devices.

입력 유닛(960)은 마이크로폰, 카메라, 스캐너, 터치 패드, 키보드, 마우스, 마우스 펜, 또는 다양한 센서들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The input unit 960 may include at least one of a microphone, camera, scanner, touch pad, keyboard, mouse, mouse pen, or various sensors.

아날로그-디지털 변환기(970)는 입력 장치(960)로부터 입력된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환할 수 있다. The analog-to-digital converter 970 may convert analog data input from the input device 960 into digital data.

뉴로모픽 유닛(980)은 아날로그-디지털 변환기(970)로부터 출력된 데이터를 이용하여 학습(learning), 인식(recognition) 등을 수행할 수 있고, 인식된 패턴에 대응하는 데이터를 출력할 수 있다. 뉴로모픽 유닛(980)은 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 뉴로모픽 소자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The neuromorphic unit 980 may perform learning, recognition, etc. using the data output from the analog-to-digital converter 970, and may output data corresponding to the recognized pattern. . The neuromorphic unit 980 may include at least one of neuromorphic elements according to various embodiments of the inventive concept.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art can implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

RD: 로우 드라이버, 프리-시냅틱 뉴런
CD: 컬럼 드라이버, 포스트-시냅틱 뉴런
R: 로우 라인
C: 컬럼 라인
MC: 메모리 셀
10: 기판
12: 절연 영역
15: 회로부
20: 하부 절연층
30: 워드 라인
35: 코어
40: 비트 라인
45: 비아 플러그
40S: 비트라인 스택
P: 셀 필라
60: 메모리 층
61: 제1 가변 저항층
62: 제2 가변 저항층
63: 제3 가변 저항층
RD: low driver, pre-synaptic neuron
CD: column driver, post-synaptic neuron
R: low line
C: column line
MC: memory cell
10: substrate
12: Insulation area
15: circuit part
20: lower insulating layer
30: word line
35: core
40: bit line
45 Via plug
40S: bit line stack
P: cell pillar
60: memory layer
61: first variable resistance layer
62: second variable resistance layer
63: third variable resistance layer

Claims (20)

기판;
상기 기판 내에 매립되고 제1 수평 방향으로 평행하게 연장하는 다수 개의 로우 라인들;
상기 제1 수평 방향과 직교하는 제2 수평 방향으로 평행하게 연장하는 다수 개의 컬럼 라인 스택들, 상기 컬럼 라인 스택들은 수직 방향으로 적층된 다수 개의 컬럼 라인들을 포함하고;
상기 컬럼 라인 스택들의 상기 컬럼 라인들을 수직으로 관통하는 셀 필라들; 및
상기 컬럼 라인 스택들 및 상기 셀 필라들을 덮는 상부 절연층을 포함하고,
상기 셀 필라들의 하단부들은 상기 로우 라인들과 전기적으로 연결되고, 및
상기 셀 필라들의 상단부들은 플로팅되는 반도체 메모리 소자.
Board;
a plurality of row lines buried in the substrate and extending in parallel in a first horizontal direction;
a plurality of column line stacks extending in parallel in a second horizontal direction orthogonal to the first horizontal direction, the column line stacks including a plurality of column lines stacked in a vertical direction;
cell pillars vertically penetrating the column lines of the column line stacks; and
an upper insulating layer covering the column line stacks and the cell pillars;
Lower ends of the cell pillars are electrically connected to the row lines, and
Upper ends of the cell pillars are floating semiconductor memory devices.
◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 2 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제1항에 있어서,
상기 셀 필라들의 상기 상단부들은 상기 컬럼 라인 스택들의 상기 컬럼 라인들중 최상부에 위치한 컬럼 라인으로부터 위쪽으로 돌출하여 상기 상부 절연층 내에 위치하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 1,
The upper ends of the cell pillars protrude upward from an uppermost column line among the column lines of the column line stacks and are positioned within the upper insulating layer.
◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 3 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제1항에 있어서,
상기 셀 필라들은 각각,
중앙의 코어; 및
상기 코어를 감싸는 메모리 층을 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 1,
Each of the cell pillars,
central core; and
A semiconductor memory device comprising a memory layer surrounding the core.
◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 4 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제3항에 있어서,
상기 코어는 금속, 금속 화합물, 금속 실리사이드, 또는 그 조합들 중 하나 이상을 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 3,
The semiconductor memory device of claim 1 , wherein the core includes at least one of a metal, a metal compound, a metal silicide, or combinations thereof.
◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 5 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제4항에 있어서,
상기 코어는 텅스텐, 루테늄, 구리, 또는 알루미늄 같은 금속; 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 루테늄 산화물 같은 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 니켈 실리사이드, 또는 코발트 실리사이드 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 4,
The core may be a metal such as tungsten, ruthenium, copper, or aluminum; metal compounds such as tungsten nitride, titanium nitride, tantalum nitride, and ruthenium oxide; metal silicides such as tungsten silicide, titanium silicide, nickel silicide, or cobalt silicide; or doped silicon.
◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 6 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제3항에 있어서,
상기 로우 라인들 및 상기 코어는 직접적으로 연결되는 반도체 메모리 소자.
According to claim 3,
The row lines and the core are directly connected to each other.
◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 7 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제3항에 있어서,
상기 메모리 층은 적어도 3층의 가변 저항층들을 포함하고, 상기 3층의 가변 저항층들은 밴드 갭들, 화학적 포텐셜들, 이온 모빌리티들, 필라멘트 생성 문턱 전압들, 상 변화 문턱 전압들, 또는 원자 이동 문턱 전압들 중 하나 이상이 서로 다른 반도체 메모리 소자,
According to claim 3,
The memory layer includes at least three layers of variable resistance layers, and the three layers of variable resistance layers include band gaps, chemical potentials, ion mobilities, filament generation threshold voltages, phase change threshold voltages, or atomic movement thresholds. a semiconductor memory element having at least one voltage different from each other;
◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 8 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제7항에 있어서,
상기 적어도 3층의 가변 저항층들은 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 란타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 실리콘 산화물, 또는 티타늄 산화물 등의 산소 베이컨시를 포함하는 다양한 금속 산화물들 또는 고유전율 산화물들 중 하나를 각각 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 7,
The at least three variable resistance layers each include one of various metal oxides including oxygen vacancy or high dielectric constant oxides such as hafnium oxide, aluminum oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, silicon oxide, or titanium oxide. semiconductor memory device.
◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 9 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제1항에 있어서,
상기 컬럼 라인들은 텅스텐, 루테늄, 또는 이리듐 같은 금속; 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 루테늄 산화물 같은 기타 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 니켈 실리사이드, 또는 코발트 실리사이드 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 1,
The column lines may be made of a metal such as tungsten, ruthenium, or iridium; other metal compounds such as tungsten nitride, titanium nitride, tantalum nitride, ruthenium oxide; metal silicides such as tungsten silicide, titanium silicide, nickel silicide, or cobalt silicide; or doped silicon.
삭제delete 기판;
상기 기판 상의 하부 절연층;
제1 수평 방향으로 연장하는 워드 라인;
상기 제1 수평 방향과 직교하는 제2 수평 방향으로 연장하는 비트 라인 스택, 상기 비트 라인 스택은 수직 방향으로 적층된 다수 개의 비트 라인들을 포함하고; 및
상기 비트 라인 스택을 수직으로 관통하도록 상기 워드 라인으로부터 아래쪽으로 연장하는 셀 필라를 포함하고,
상기 셀 필라의 상단부는 상기 워드 라인과 전기적으로 연결되고, 및
상기 셀 필라의 하단부는 어떤 전도성 구성 요소와도 전기적으로 연결되지 않도록 플로팅되고,
상기 셀 필라의 상기 하단부는 상기 비트 라인 스택의 최하부에 위치한 상기 비트 라인으로부터 아래쪽으로 돌출하여 상기 하부 절연층 내에 위치한 반도체 메모리 소자.
Board;
a lower insulating layer on the substrate;
a word line extending in a first horizontal direction;
a bit line stack extending in a second horizontal direction orthogonal to the first horizontal direction, the bit line stack including a plurality of bit lines stacked in a vertical direction; and
a cell pillar extending downwardly from the word line to vertically penetrate the bit line stack;
An upper end of the cell pillar is electrically connected to the word line, and
The lower end of the cell pillar is floated so as not to be electrically connected to any conductive component,
The lower end of the cell pillar protrudes downward from the bit line positioned at the lowermost part of the bit line stack and is positioned within the lower insulating layer.
삭제delete ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 13 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제11항에 있어서,
상기 비트 라인들은 텅스텐, 루테늄, 또는 이리듐 같은 금속; 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 루테늄 산화물 같은 기타 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 니켈 실리사이드, 또는 코발트 실리사이드 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 11,
The bit lines may be made of a metal such as tungsten, ruthenium, or iridium; other metal compounds such as tungsten nitride, titanium nitride, tantalum nitride, ruthenium oxide; metal silicides such as tungsten silicide, titanium silicide, nickel silicide, or cobalt silicide; or doped silicon.
삭제delete ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 15 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제11항에 있어서,
상기 셀 필라는 중앙의 코어 및 상기 코어를 감싸는 메모리 층들을 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 11,
The semiconductor memory device of claim 1 , wherein the cell pillar includes a central core and memory layers surrounding the core.
◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 16 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제15항에 있어서,
상기 메모리 층들은 적어도 3층의 가변 저항층들을 포함하고, 상기 3층의 가변 저항층들은 밴드 갭들, 화학적 포텐셜들, 이온 모빌리티들, 필라멘트 생성 문턱 전압들, 상 변화 문턱 전압들, 또는 원자 이동 문턱 전압들 중 하나 이상이 서로 다른 반도체 메모리 소자.
According to claim 15,
The memory layers include at least three layers of variable resistance layers, and the three layers of variable resistance layers include band gaps, chemical potentials, ion mobilities, filament generation threshold voltages, phase change threshold voltages, or atomic movement thresholds. A semiconductor memory device in which at least one of the voltages is different from each other.
◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 17 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제16항에 있어서,
상기 적어도 3층의 가변 저항층들은 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 란타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 실리콘 산화물, 또는 티타늄 산화물 등의 산소 베이컨시를 포함하는 다양한 금속 산화물들 또는 고유전율 산화물들 중 하나를 각각 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 16,
The at least three variable resistance layers each include one of various metal oxides including oxygen vacancy or high dielectric constant oxides such as hafnium oxide, aluminum oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, silicon oxide, or titanium oxide. semiconductor memory device.
◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 18 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제11항에 있어서,
상기 워드 라인은 텅스텐, 루테늄, 구리, 또는 알루미늄 같은 금속; 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 루테늄 산화물 같은 금속 화합물; 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 니켈 실리사이드, 또는 코발트 실리사이드 같은 금속 실리사이드; 또는 도핑된 실리콘 중 하나를 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 11,
The word line may be made of a metal such as tungsten, ruthenium, copper, or aluminum; metal compounds such as tungsten nitride, titanium nitride, tantalum nitride, and ruthenium oxide; metal silicides such as tungsten silicide, titanium silicide, nickel silicide, or cobalt silicide; or doped silicon.
기판;
상기 기판 상에 형성된 하부 절연층;
상기 하부 절연층 상에 교대로 적층된 비트 라인들 및 층간 절연층들, 상기 비트 라인 들은 제1 수평 방향으로 평행하게 연장하고;
상기 비트 라인들 상의 상부 절연층;
상기 상부 절연층 상에 상기 제1 수평 방향과 수직하는 제2 수평 방향으로 연장하는 워드 라인; 및
상기 워드 라인으로부터 상기 상부 절연층, 상기 층간 절연층들, 및 상기 비트 라인들을 수직으로 관통하는 수직 필라를 포함하고,
상기 수직 필라는 전도성 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 적어도 3층의 가변 저항층들을 포함하고,
상기 수직 필라의 상단은 상기 워드 라인과 직접적으로 연결되고, 및
상기 수직 필라의 하단은 상기 기판과 접촉하지 않도록 상기 하부 절연층 내부로 돌출하는 반도체 메모리 소자.
Board;
a lower insulating layer formed on the substrate;
bit lines and interlayer insulating layers alternately stacked on the lower insulating layer, the bit lines extending in parallel in a first horizontal direction;
an upper insulating layer on the bit lines;
a word line extending in a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction on the upper insulating layer; and
a vertical pillar vertically penetrating the upper insulating layer, the interlayer insulating layers, and the bit lines from the word line;
The vertical pillar includes a conductive core and at least three variable resistance layers surrounding the core,
An upper end of the vertical pillar is directly connected to the word line, and
A lower end of the vertical pillar protrudes into the lower insulating layer so as not to contact the substrate.
◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 20 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제19항에 있어서,
상기 적어도 3층의 가변 저항층들은 밴드 갭들, 화학적 포텐셜들, 이온 모빌리티들, 필라멘트 생성 문턱 전압들, 자화 문턱 전압들, 위상 변화 문턱 전압들, 또는 원자 이동 문턱 전압들 중 하나 이상이 서로 다르도록, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 란타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 실리콘 산화물, 또는 티타늄 산화물 등의 산소 베이컨시를 포함하는 다양한 금속 산화물들 또는 고유전율 산화물들 중 하나를 각각 포함하는 반도체 메모리 소자.
According to claim 19,
The at least three variable resistance layers are different from each other at least one of band gaps, chemical potentials, ion mobilities, filament generation threshold voltages, magnetization threshold voltages, phase change threshold voltages, or atomic movement threshold voltages. , hafnium oxide, aluminum oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, silicon oxide, or titanium oxide.
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